JPH0526718B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は地球周回宇宙船の様な宇宙船に適す
る構体に関する。

〔発明の背景〕

宇宙船構体は宇宙船を軌道上で動作させるため
のエンジンやロケツト（スラスタ）を支持すると
共に宇宙船のペイロード機器を支持する。地球周
回宇宙船のペイロード機器は一般に通信衛星用の
形式の比較的大型のアンテナ反射器、地球セン
サ、航行センサおよびその他の宇宙船の精密方向
制御用装置を含むが、この様な機器は外界に起因
する数多の応力に耐える極めて安定した特性の強
固な支持構体を必要とする。

例えば、最初の打上げ中宇宙船は打上げ加速度
により誘発される比較的高い応力に耐えねばなら
ないが、この応力は比較的重いエンジンやペイロ
ード機器の取付けによりその支持構体に複合され
る。宇宙船構体は一旦軌道に乗ると通常少くとも
±100℃の範囲で変化する熱サイクルにさらされ
る。

米国特許第4009851号には、アルミニウム合金
板の端を鋲止め、熔接等で固定して細長い円筒状
部材を形成し、この円筒状部材を外周に軸方向に
平行な複数本のリブを設けて補強すると共に、複
数本の環状補強リブも設けたものが開示されてい
る。

この円筒部材の下端にはその円筒部材と同様に
構成された円錐台状部材が取付けられ、上記特許
に開示されている様に、その円錐台状部材もまた
その外周に軸方向に延びる複数のリブを有する。

このリブは円筒状部材と円錐台状部材に鋲止め
されているが、この鋲止めのためにフランジを必
要とし、このフランジが構体の重量を増す。

上記米国特許開示の支持構体はそれまで知られ
ている支持構体より軽いが、ペイロードが追加し
得る様に支持構体の重量は更に軽い方が望まし
い。支持構体の重量が低下するほど、所定寸法の
宇宙船のペイロード重量は大きくなる。

〔発明の概要〕

この発明を実施した宇宙船構体は打上げ用ロケ
ツトに取付けるようになつており、中空円筒状構
体とこれに接合されてそれから延伸する中空円錐
台状構体とを含んでいる。これらの構体は中心軸
が一致し、宇宙船のペイロードとエンジンを受け
る様になつている。

この発明による円筒状構体と円錐台状構体とを
含む構造は連続的で、補強繊維入り金属母材で形
成された連続均質微細構造を含んでいる。この微
細構造は細長い円筒状構体の円錐台状構体と反対
の端部の最小値から円錐台状構体の円筒状構体と
反対の端縁の最大値まで厚さが増大する壁面を有
し、その厚さ最大の端縁部が打上げ用ピークルに
取付けられるようになつている。

〔推奨実施例の詳細な説明〕

第１図は直円筒状部材１２を含む支持構体１０
を有する宇宙船を示す。部材１２は外方に拡がる
円錐台状部材１４に一体に接合されてその構体を
形成している。この一体の支持構体を第２図にさ
らに詳示する。この支持構体は上記米国特許開示
の構体と類似で、両部材１２，１４に共通の長手
軸５０を有する。

第２図は上記米国特許開示のものと似た支持構
体１０が環状内側リブ即ち補強用フランジ状リブ
１６，２４を有することを示している。リブ１６
は円筒状部材１２の端縁２０と一致する平面状の
外面１８を有し、部材１２の内面２２には環状内
側リブ即ちフランジ状リング２４が固定されてい
る。

部材２，１４の界面には環状外側リブ即ちフラ
ンジ状リング２６があり、部材１４の下端縁には
平面状外面２８を有する環状補強リブ即ちフラン
ジ状リング３０が固定されている。

部材１２，１４とリング１６，２４，２６，３
０は補強繊維入り金属母材から成る一体の均質微
細構造より成り、各素子間に鋲接手や熔接接手を
全く含まない金属母材複合物（以下MMCと称す
る）構体を形成する。

MMCは繊維、針状体、粒子等の補強材料を任
意に組合せて金属で接合した材料である。特許請
求の範囲に使用した「繊維」という用語は繊維、
針状体、粒子を含むものとする。

繊維は連続でも不連続でもよいが、連続繊維
MMCは連続繊維を用いて金属を補強したもの
で、その性質は方向性があり、混合物（母材と補
強材）計算の既知の法則により充分予測すること
ができる。これに対し不連続繊維MMCは切断さ
れた短繊維を金属で固めたもので、その性質はか
なり等方性であるが、母材の性質の強調度は連続
繊維MMCに比して少い。

MMCで結合材料として用いられる代表的金属
はアルミニウム、マグネシウム、チタン、銅、鉛
および鋼であり、代表的な補強用連続繊維は黒
鉛、炭化シリコン、硼素、炭化硼素、酸化アルミ
ニウム、鋼およびタングステンである。代表的補
強用連続繊維には上記繊維を短く切断したものの
他に釘状炭化シリコンや粒状アルミナがある。こ
れらの材料は例えばアブコ社（Avco Corp.）の
型録第0481−2M（頁）号に詳述されている。

この実施例のMMC材料はアルミニウム母材に
炭化シリコンを混合したもので、炭化シリコン材
料はアブコ型録第0481−16−2M号および第0481
−20−2M号に記載されている。その記載のよう
に、炭化シリコンは安価、高強度、1200℃以上に
おける高熱抵抗、低電気伝導度、耐食性、化学安
定性および対金属可濡性等の利点がある。

アルミニウム母材のMMCは下述の熱間均衡プ
レスとして知られる方法で鋳造または熱間成形し
て作られる。DWA社製の粒状炭化シリコンとア
ルミニウムから成るMMCの機械的性質は1983年
９月発行のDOD金属母材複合体情報解析センタ
ー最新ハイライト（DOD Metal Matrix
Composites Information Analysis Center−
Current Highlights）第３巻第３号掲載の論文
「最近のMMC接合研究の結果（Results of
Recent MMC Joining Investigations）」の表１
および1980年11月発行のロツクウエル・インター
ナシヨナル（Rockwell International）報告第
AFWAL−TR−81−3018号「高性能航空機機体
用金属母材複合物構体（Metal−Matrix
Composites Application／Payoff for High−
Performance Aircraft Airframes）」に記載さ
れている。上記報告はMMC材料供給者の刊行物
の探査を含むもので、MMC材料を用いる設計概
念を作る時の物理的性質、データおよび費用も示
している。

第２図の構体は繊維容積含有率約25％、多孔度
１％未満の炭化シリコン／Al（T6061）で構成し、
その製造には多数の公知方法を用いることができ
る。部材１２，１４は一体に形成してもよいが、
下述のように各別に形成した後接合してもよい。

上記熱間均衡プレスではまず金属粉末と補強材
粒子を完全に（金属粉末に粒子が均一に分散する
ように）混合した後、鋳型に入れて高温高圧下で
加圧成形し、概略寸法の鋳塊を形成する。その鋳
型は例えば中型と可動の外型から成り、その間の
空隙が鋳塊の形状を画定する様になつている。こ
の２つの型の間に補強材と金属粉末の混合物を入
れて温度を上げ、外型を半径方向内方に移動させ
てその混合物を圧縮すると、熱と圧力によつて金
属粉末が熔融する。冷却後型を分離してMMCの
鋳塊を取出し、これにMMC製の各素子を公知の
拡散法で取付けるが、それと共に成形すればよ
い。

熱間均衡プレスによると粉末補強材金属複合材
料が極高圧下で高密度化され、各成分が鋳塊の形
と組成を形成する。これは例えばEMI社の刊行
物に炭化シリコン補強材とアルミニウム粉末の複
合体について示されている。

第２図の構体を製造するとき、上側の円筒状部
と下側の円錐台状部とを各別に成形した後慣性熔
接で接合することもできる。慣性熔接は開いた円
錐台状部分と円筒状部分との接合部の微細構造を
残りの材料と一様にする技法で、熔接接手は実質
的に均質で微細構造的に見分けがつかない。この
慣性熔接はDWA社の特許である。

上記のMMC構体は寸法が大き目にできている
から、これをリングを含めて切削加工して仕上り
品の仕上り寸法にする。

でき上つたMMC構体は金属母材に補強材の繊
維または粒子が均一に分散しているため準等方性
である。この「準等方性」という用語はある領域
内全構成素子から説明される。その領域内では１
つを除く全素子がその１つの素子の周りに放射状
に分散していて、「準等分性」とはその領域の全
素子がすべての機械的または熱的負荷に対して一
様に応答することを意味する。従つて、例えば熱
膨張収縮が材料に印加されたある熱勾配に応じて
全構体中均一である。この準等方性は温度変動の
大きいときでも熱的応力の誘起を減じて構体の変
形を防ぐ。

構体１０に取付けられたペイロード、エンジン
等を第１図に示す。構体１４にはその中心軸５０
に平行に複数の板状隔壁部材４２，４４，４６，
４８が取付けられている。隔壁部材４２，４６の
面は部材４４，４８の面と直角を成し、部材４
４，４８は同一平面上にあるが、部材４２，４６
は軸５０を外れた２つの平面上にある。各隔壁に
は支柱構造５２が取付けられ、燃料タンク５４を
支持構体１０に固定している。

第１図ではアンテナ１が平板４０に取付けら
れ、その平板４０がリング１６の面１８に取付け
られている。この平板４０に平行に第２の平板６
０がリング２６に取付けられている。また各隔壁
４４，４２，４８，４６にはそれぞれ平板６２，
６４，６６，６８が取付けられ、隣接する平板の
端縁は衝合している。例えば平板６４は隔壁４２
の軸５０と反対側の端縁並びに平板４０，６０，
６２，６６の互いに衝合する平行端縁に取付けら
れている。平板６６は平板６２に平行で、隔壁４
８と平板４０，６０，６４，６８に固定され、平
板６８は隔壁４６と平板４０，６０，６２，６６
に固定されている。でき上つた構体は直方体で、
この構体は前記米国特許第4009851号明細書に詳
述されている。

各平板にはペイロード素子が取付けられてい
る。例えば平板６２には素子７０が取付けられて
いる。さらに上記特許に詳述されるように、構体
１０には連桿を介して折畳み式太陽電池パネル７
２が取付けられ、また第２図の内側リング２４に
はアポジエンジン７６が取付けられている。アポ
ジエンジン７６は全部構体１０の内部に収納され
ている。

第２図の支持構体１０は打上げ中、破線で図示
されたラウンチ・ビークル（以下打上げ用ロケツ
トと総称する）３２に取付けられている。打上げ
用ロケツト３２は重力方向３４′と反対方向３４
に推進されるものとする。構体１０は打上げ用ロ
ケツト３２に部材１４の面３６で取付けられる
が、円錐台状部材１４にはその面３６に打上げ用
ロケツト３２による加速度発生力Ｆが３４の方向
に働らく。この力Ｆは部材１４の周りに図示のよ
うに均一に作用してリング３０に印加され、方向
３４と反対方向３４′に構体１０、それに取付け
られたペイロード、アポジモータまたはエンジン
等の付属物の質量に比例する反力F′を生成する。

第１図について上記した構体１０に取付けられ
た全素子は打上げ用ロケツトが３４の方向に加速
されるとき構体１０に種々の反力を生成する。例
えば、構体１０のリング３０には最大値の反力
F′が生ずる。構体１０の長さに沿う各点には異る
反力が発生し、その大きさは必然的に構体１０と
打上げ用ロケツト３２上にある点からの距離が短
いほど大きくなる。即ちリング３０とそれに隣接
する部材１４の部分は構体１０に取付けられた全
素子の打上げ加速度誘起力F′により生ずる荷重の
すべてを吸収伝達するが、リング１６は比較的値
の小さい反力F″を受ける。これはリング１６に
対する反力を生ずるその付属物の数が構体１０の
残部に比較すると最も少いためである。従つて構
体１０に誘起される打上げ応力は３４′の方向に
増大してリング３０で最大になる。

この発明の特異な性質は上記米国特許第
4009851号開示の様な垂直の補強リブを用いない
ことである。第２図の構体１０のスチフネスを上
げ、打上げによつて誘起された力によるリング１
６への最小荷重とリング３０における構体１０へ
の最大荷重を補償するため、部材１２，１４の壁
面にテーパが付してある。即ち、壁面は部材１２
のリング１６に接する部分で最も薄く、部材１４
のリング３０に接する部分で最も厚い。この壁面
の厚さの勾配によつて構体１０に充分なスチフネ
スが与えられ、構体１０の長手方向３４′に沿う
荷重の増加が可能になる。換言すれば、反力によ
る構体１０への荷重が増すほど壁面が構体を取付
ける打上げ用ロケツトに近付いて厚さを増し、荷
重の増大に適応するようになつている。

例えば第３図において、部材１２のリング１６
に接する位置の壁面厚さt₁は最も薄く、与えられ
た荷重と勿論そのリング１６に隣接して構体１０
に取付けられる素子の数に依存する与えられた宇
宙船構体の構造設計特性とに従つて任意の値とす
ることができる。円筒状部材１２の厚さは次第に
厚くなり、次のリング２６の近傍のt₁より大きい
厚さt₂に達する。この厚さt₂は第４図に示すよう
に部材１４のリング３０近傍の最大厚さt₃まで更
に増大する。壁面の厚さt₁，t₂，t₃の実際の値は
与えられた設備に従えばよい。

重要なことは全壁面およびリングを通じて微細
構造が均一かつ均質で、その間の継ぎ目に不連続
がないことである。構体１０の筒状部にリング１
６，２４，２６，３０を取付けるのに鋲のような
異質の締結装置を用いない。壁面のテーパのため
構体１０の材料は最少量でよく、その重量が最小
になる上、強度を最高にすることができる。上記
米国特許記載のアルミニウム材料から成るものと
同様の構体が重さ約25.9Kgであるのに比較して、
同じ寸法でこの発明により構成された炭化シリコ
ン強化アルミニウム金属コア構体の総重量は、ア
ルミニウムT6061を用いたとき約27.7Kg、アルミ
ニウムT2024を用いたとき約25.9Kgである。

図示構体の各リングの位置と数は第１図の例示
宇宙船用のものである。各リングは補強リブと円
板４０，６０およびアポジモータ７６の取付手段
の両作用をする。また壁面の厚さの勾配は円筒状
と円錐台状の結合構体の強度を宇宙船設備の条件
に合わつゝ構体１０内の打上げ力の分布が変つて
もよい様にしている。

第５図では部材１２の下端のリング３０が環状
溝８２を有し、打上げ用ロケツト３２がその溝８
２に対向する環状溝８４を有し、その凹溝内に略
示するような切放し機構８６が収納されている。
この切放し機構の詳細は公知であるからここでは
省略するが、宇宙船構体とその付属機器を打上げ
中の適当な時点で打上げ用ロケツト３２から９０
の方向に射出するための例えばバネ押し棒等の力
発生素子を含んでいる。

略示した締結機構９２は花火装置（図示せず）
等の分離機構によつて外される。構体１０はその
分離機構８６の及ぼす力に応じて９０の方向に打
上げ用ロケツト３２から分離される。従つて、リ
ング３０はその射出力を受けるため円錐状部材１
２の基部を補強する追加の機能を果す。

この実施例では、円筒状部材１２が直円筒であ
るが、請求範囲に用いた「円筒状構体」という用
語は、内径例えばリング１６に接する内径がリン
グ２６に接する内径より小さい若干テーパの付い
た構体で、部材１２が僅かに円錐台状外形を呈す
るものも含むものとする。円筒状部材１２が直円
筒か若干円錐台状であるか否かは、打上げ用ロケ
ツト３２と構体１０との界面に近付くにつれて厚
さを増す部材１２，１４の結合壁面の均一テーパ
構造ほど重要性を有しない。

金属母材複合構体の壁面の厚さと材料は金属母
材複合材料の使用ほど重要性を有しない。この材
料は環状リブ構体を含む均一均質の微細構造によ
つて形成され、この構体は各種構成素子の取付け
に鋲、フランジ等の素子を使用しない。この金属
母材複合材料によつて作られた宇宙船構体は重量
が極めて小さく、強度が極めて大きく、温度変化
による歪が極めて小さく、打上げ中や軌道上で受
ける力による歪も極めて小さい。この材料で作ら
れた構体はまた通常の金属より高温に耐えること
ができるが、この様な高温状態はアポジモータの
ある種の逆噴射状態（モータからの熱転送状態）
のときや宇宙輻射状態において考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の分解斜視図、第
２図は第１図の実施例に使用される宇宙船支持構
体の断面図、第３図および第４図は第２図の破線
３，４で囲んだ部分を更に詳示するその第２図の
構体の壁面の断面図、第５図は第２図の破線５で
囲んだ部分で第２図の宇宙船構体と打上げ用ロケ
ツトとの接合を示す詳細断面図である。 １０……宇宙船構体、１２……円筒状構体、１
４……円錐台状構体、３２……打上げ用ロケツ
ト、５０……長手軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中空円筒状構体と、この中空円筒状構体の一
   端から延伸し、その軸が上記中空円筒状構体の長
   手軸に一致する中空円錐台状構体とを含み、上記
   各構体は宇宙船のペイロードとエンジンが取付け
   られるようになつていると共に、補強繊維入り金
   属母材から形成された連続均質微細構造より成
   り、上記微細構造が、上記中空円筒状構体の上記
   中空円錐台状構体と反対の端部から上記中空円錐
   台状構体の上記中空円筒状構体と反対の延伸端縁
   に向つて厚さを増す壁面を有し、その壁面の厚さ
   が最大の上記端縁が打上げ用ロケツトに取付けら
   れるようになつている宇宙船構体。